CN113007585B - 一种圆筒结构和提高圆筒弯曲刚度的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种圆筒结构和提高圆筒弯曲刚度的方法,该圆筒结构包括主体,所述主体的一端设置有法兰,所述主体的管壁外侧均匀设置有4个梯形加强筋,所述加强筋与所述法兰连接。本申请的结构能够比没有加强筋的优化了的圆筒结构重量轻约42.3%;能够有效的节省材料,进行零件减重。
Description
技术领域
本申请属于仪器零件领域,具体地说,涉及一种圆筒结构和提高圆筒弯曲刚度的方法。
背景技术
随着科学技术的发展,仪器的精度要求越来越高,在环境保护和能源耗竭日益严峻的形势下,圆筒的轻量化结构优化设计已被认为是汽车、航空、航天、土木工程等领域的高效节能环保措施。例如,航空航天仪器、医疗设备、电子设备、机床和光学仪器对关键部件有很高的精度要求,在这些仪器和设备中通常使用具有高精度要求和在受弯矩载荷下重量轻的圆筒结构。因此,有必要提供一种高弯曲刚度的圆筒结构。
发明内容
本申请的一个目的是提供一种高弯曲刚度的圆筒结构的新技术方案和提高圆筒弯曲刚度的一种方法。
根据本申请的一个方面,本申请提供一种圆筒结构,包括主体,所述主体的一端设置有法兰,所述主体的管壁外侧均匀设置有4个加强筋,所述加强筋与所述法兰连接。
可选地,所述加强筋为梯形加强筋。
可选地,所述加强筋的长度小于所述主体的长度。
可选地,所述主体包括同轴连接的第一中空筒体和第二中空筒体,所述第一中空筒体中空处的直径大于所述第二中空筒体中空处的直径。
可选地,所述法兰设置在所述第一中空筒体的一端。
根据本申请的另一个方面,本申请还提供一种提高圆筒弯曲刚度的方法,包括以下步骤:
步骤1,根据圆筒结构的工作要求设计参数;
步骤2,确定参数定量和参数化变量;
步骤3,根据步骤1和步骤2中设计的参数使用CAD软件进行圆筒结构的三维建模;
步骤4,将步骤3中构建的三维模型导入有限元Ansys分析软件中;
步骤5,在Ansys分析软件中设置圆筒结构的材质;设置圆筒结构的约束,增加圆筒结构的载荷;
步骤6,在Ansys分析软件中划分并设置网格;
步骤7,在Ansys分析软件中设置步骤6中划分的网格,网格划分结果SKEWNESS≤0.95;若否,返回步骤6中调整网格的参数;若是,继续进行下一步;
步骤8,设定目标参数,设置步骤2中确定的参数化变量的范围值;
步骤9,选择算法,输出结果;若结果不符合步骤8中设定的目标参数,调整参数化变量后返回步骤6;若结果符合步骤9中设定的目标参数,结束。
可选地,所述步骤1中,圆筒结构的一端为设置有法兰的固定端,并在圆筒结构的管外侧设置有与所述法兰连接的加强筋。
可选地,步骤2中所述的参数化变量包括:圆筒结构中不同直径的管壁厚;法兰的外径和厚度;加强筋的数量、位置、厚度、长度。
以上步骤1到9是针对圆筒所承受的弯矩力在圆筒的圆周方向不确定时,得到的优化高弯曲刚度的圆筒结构布局的过程。通过对筒的结构优化结果进行分析,得到带有法兰和周向4个均匀分布的梯形加强筋的筒的结构优化布局更好。本申请的一个技术效果在于,本申请的结构能够比没有加强筋的优化了的圆筒结构重量轻约42.3%。
根据本申请的另一个方面,提高圆筒弯曲刚度的方法如下:当圆筒所受的弯曲力垂直于加强筋的大面时,那么此方向的梯形加强筋一般是不会提高圆筒的弯曲刚度的,只有通过合适的加强筋的结构参数才能提高圆筒的弯曲刚度。通过所述判定式t>60.5/2N1,b<3.14×60.5(N1 2-N0 2)/(12N1)时,才能实现增加该方向的加强筋与没有加强筋的筒相比会增加筒的刚度,其中的t为加强筋的厚度,b为远离法兰的加强筋末端的边长。
以上高弯曲刚度的圆筒结构和提高圆筒弯曲刚度的方法能够有效的节省材料和减少能源浪费,进行零件减重。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解,构成本申请的一部分,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
图1是本申请一些实施例的侧视结构示意图;
图2是本申请一些实施例的主视结构示意图;
图3是图2中A-A剖面的结构示意图;
图4是本申请一些实施例的验证示意图,其中,a代表圆筒的精度实验测量,b代表圆筒的变形分析图;
图5是本申请一些实施例计算结果的曲线示意图;
图6是本申请另一些实施例主视结构示意图;
图7是图6的侧视结构示意图;
图8是本申请再一些实施例主视结构示意图;
图9是图8的侧视结构示意图;
图10是优化不同结构圆筒得到的弯曲刚度与本申请圆筒结构的比较结果;
图11是本申请一些实施例的方法流程示意图。
图1中:1主体,11第一中空筒体,12第二中空筒体,2法兰,3加强筋。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式,借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本申请公开的一种圆筒结构,参考图1和图10中的h,包括主体1,所述主体的一端设置有法兰2,所述主体1的管壁外侧均匀设置有4个加强筋3,所述加强筋3与所述法兰2连接。本申请的结构能够比没有加强筋的优化了的圆筒结构重量轻约42.3%,能够有效的节省材料,进行零件减重。
可选地,所述加强筋为梯形加强筋。可选地,所述加强筋的长度小于所述主体的长度。可选地,所述主体包括同轴连接的第一中空筒体11和第二中空筒体12,所述第一中空筒体11中空处的直径大于所述第二中空筒体12中空处的直径。可选地,所述法兰设置在所述第一中空筒体11的一端。可选地,所述加强筋的长度大于所述第一中空筒体11的长度。本申请的结构能够比没有加强筋的优化了的圆筒结构重量轻约42.3%,能够有效的节省材料,进行零件减重。
本申请所得到的以上结构特征的圆筒,在一些实施例中,参考图11,是通以下步骤进行圆筒的优化,并经过分析所得到的:
步骤1,根据圆筒结构的工作要求设计参数;
步骤2,确定参数定量和参数化变量;
步骤3,根据步骤1中设计的参数使用CAD软件进行圆筒结构的三维建模;
步骤4,将步骤3中构建的三维模型导入有限元Ansys分析软件中;
步骤5,在Ansys分析软件中设置圆筒结构的材质;设置圆筒结构的约束,增加圆筒结构的载荷;
步骤6,在Ansys分析软件中划分网格;
步骤7,在Ansys分析软件中设置步骤6中划分的网格,网格划分结果SKEWNESS≤0.95;若否,返回步骤6中调整网格的参数;若是,继续进行下一步;
步骤8,设定目标参数,设置步骤2中确定的参数化变量的范围值;
步骤9,选择算法,输出结果;若结果不符合步骤8中设定的目标参数,调整参数化变量后返回步骤6;若结果符合步骤9中设定的目标参数,结束。
最后通过对筒的结构优化结果进行分析,得到带有法兰和周向4个均匀分布的梯形加强筋的筒的结构优化布局特征。
实施例1
确定圆筒结构,如图1所示,圆筒的一端为设置有法兰的固定端,并在圆筒的管外侧设置有与所述法兰连接的加强筋,其中L1、L2、D1和D2是固定值不变。
根据确定的参数和非确定的参数化变量使用CAD软件进行圆筒结构的初步三维建模;如图2和3所示,圆筒的可变参数在图3中DS_tL2@draw1表示圆筒在L2处的厚度,DS_tL1L2@draw1表示是圆筒的L1和L2连接处的厚度,DS_tL1@draw1表示圆筒在L1处的厚度,DS_wide@draw1表示法兰外半径和圆筒外半径之差,DS_tflange@draw1表示法兰的厚度,DS_lerib@draw2表示筋的末端的长,DS_larib@draw2表示筋的轴向的长,DS_trib@la1表示筋的厚度。
将CAD三维模型导入Ansys,在Ansys中设置圆筒的约束、载荷和材料。对圆筒进行约束一端进行法兰端固定,然后在另一端加载垂直于圆筒轴向中心线的弯曲力。
在Ansys中对圆筒进行网格划分,使网格质量skewness≤0.95,满足使用要求。若不满足skewness≤0.95,调整网格的参数重新划分。
以图2和图3的可变参数及梯形加强筋数为优化变量,设置圆筒的变形量一定,将圆筒的重量最小设为目标参数(目标函数)。
采用遗传算法进行结构优化,得到D1、D2、L1和L2固定不变,其它结构参数变量优化的轻量化圆筒。
在圆筒周向布置加强筋时,考虑到圆筒受到的力有时垂直于加强筋大面,有时平行于加强筋大面。在外载荷垂直于加强筋大面时,同样重量的圆筒变形最大。圆筒末端的外力在圆周任意方向加力时,为了保证圆筒一定的变形量,应该在外载荷垂直于加强筋大面时,来依次增加加强筋的个数,对圆筒结构进行优化。
经过对不同内直径D1的圆筒的结构变化参数和筋数的优化,得到不同圆筒内直径D1下优化圆筒的筋数对圆筒重量的影响曲线如图5所示。可以看出圆筒的筋数≥4时,优化的圆筒重量基本不变。那么对于受到的弯曲力在圆筒周向方向不定时,为了保证圆筒一定的变形量,圆筒的加强筋数量设计4个就比较理想了。通过对筒的结构优化结果进行分析,得到带有法兰和周向4个均匀分布的梯形加强筋的筒的结构优化布局更好。
以上是针对圆筒所承受的弯矩力在圆筒的圆周方向不确定时,得到的优化高弯曲刚度的圆筒结构布局的过程。
本申请还提供一种提高圆筒弯曲刚度的方法,当圆筒所受的弯曲力垂直于加强筋的大面时,那么此方向的梯形加强筋一般是不会提高圆筒的弯曲刚度的,只有通过合适的加强筋的结构参数才能提高圆筒的弯曲刚度。其提高圆筒弯曲刚度的判定公式t>60.5/2N1,b<3.14×60.5(N1 2-N0 2)/(12N1)的推导和分析过程如下:
如图6和图7所示,筋的大面平行于x轴,垂直于外力F和重力G,Ix1是筒的环形横截面对x轴的惯性矩,Ix2是加强筋的矩形截面对x轴的惯性矩。
Ix1=3.14(N1 4-N0 4)/64=3.14(N1 2-N0 2)/4×(N1 2+N0 2)/16=A1(N1 2+N0 2)/16
Ix2≈t3b/12=A2t2/12
式中b是加强筋横截面中矩形的长度,t是加强筋的厚度,A1是筒的横截面中环形面积,A2是筒的横截面中矩形的面积。
在生产中,t相对于N1和N0是很小,因此t2/12<(N1 2+N0 2)/16,Ix2<Ix1。与没有加强筋的筒相比,带加强筋的筒刚度降低了,只能通过增加带有这个方向加强筋筒的重量来保证与无加强筋的筒同样的最大变形。
如果A1=A2,可以得到Ix2>Ix1的条件式:t2/12>(N1 2+N0 2)/16。如果N1>N0,N1接近于N0,则t2/12>(N1 2+N1 2)/16>(N1 2+N0 2)/16,用于确定在此方向添加加强筋以提高筒的刚度的分析过程如下所示。因为
t2/12>(N1 2+N1 2)/16>(N1 2+N0 2)/16,A1=A2,所以Ix2=A2t2/12>
Ix1=A1(N1 2+N0 2)/16。根据t2/12>(N1 2+N1 2)/16,得到t2/12>N1 2/8,进一步得到t>60.5/2N1。再根据A1=3.14(N1 2-N0 2)/4=A2=bt和t>60.5/2N1,得到t=3.14(N1 2-N0 2)/(4b)>60.5/2N1,进一步得到3.14×60.5(N1 2-N0 2)/(12N1)>b。最终,得到这样的判定条件:
当t>60.5/2N1,b<3.14×60.5(N1 2-N0 2)/(12N1)时,增加该方向的加强筋数量与没有加强筋的筒相比会增加筒的刚度。因为A2是不变的,A2=bt,那么在需要提高筒的刚度时,t就要增大,b就要减小。
如图8和图9所示,当加强筋的大面平行于y轴、重力G和外力F时,转动惯量是:
Ix1=A1(N1 2+N0 2)/16
Ix2≈b3t/12+(N1+b/2)2bt=A2[b2/12+(N1+b/2)2]
在生产中,b>t,因此[b2/12+(N1+b/2)2]远远大于t2/12。这样图6加强筋布局的圆筒刚度比图8的刚度差。
当A1=A2,b2/12+(N1+b/2)2=b2/12+N1 2/2+N1 2/2+b2/4+bN1=N1 2/2+N1 2/2+b2/3+bN1,N1>N0。这样N1 2/2+N1 2/2+b2/3+bN1>(N1 2+N0 2)/16,Ix2>Ix1。可以确定,在此情况下,加强筋排列比没有加强筋的圆筒轻。
以上就是本申请提供的另一种提高圆筒弯曲刚度的方法,可以减少材料浪费。
如图4所示的是对Ansys模拟效果的一个实验验证,实验筒的结构参数和材料与模拟的条件相同,实验测得的筒的末端变形为0.0082mm,如图4所示模拟仿真筒的末端变形量为0.00836mm,两者相差0.00016mm精度高于μm级别。
将本申请提供的圆筒结构特征与其它的不同圆筒结构的弯曲刚度比较如图10中所示的,其中设定圆筒的材料为铝合金6061,圆筒的内直径为123mm,圆筒的全长是300mm,圆筒的一端固定,另一端受到的力为F=230N,要求筒的最大变形控制在0.01mm。可以看出,在圆筒末端受到的外力方向在其圆周方向不能确定时,本专利通过对此带有4个梯形加强筋和一个在固定端的法兰的优化圆筒结构与现有其它形状加强筋的优化圆筒结构比较,在相同约束、载荷和变形情况下,本专利提出的优化结构h的重量最轻。本专利的优化结构比没有加强筋的优化了的圆筒结构重量轻了约42.3%这种结构也易于加工,所以对实际生产中的结构设计将有指导作用,以减少长期大量的实验和人力物力的浪费。
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定成分或方法。本领域技术人员应可理解,不同地区可能会用不同名词来称呼同一个成分。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分成分的方式。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语,故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内,本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题,基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式,然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的,并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例,但如前所述,应当理解发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述发明构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围,则都应在发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种提高圆筒弯曲刚度的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,根据圆筒结构的工作要求设计参数;
步骤2,确定参数定量和参数化变量;
步骤3,根据步骤1和步骤2中设计的参数使用CAD软件进行圆筒结构的三维建模;
步骤4,将步骤3中构建的三维模型导入有限元Ansys分析软件中;
步骤5,在Ansys分析软件中设置圆筒结构的材质;设置圆筒结构的约束,增加圆筒结构的载荷;
步骤6,在Ansys分析软件中划分并设置网格;
步骤7,在Ansys分析软件中设置步骤6中划分的网格,网格划分结果SKEWNESS≤0.95;若否,返回步骤6中调整网格的参数;若是,继续进行下一步;
步骤8,设定目标参数,设置步骤2中确定的参数化变量的范围值;
步骤9,选择算法,输出结果;若结果不符合步骤8中设定的目标参数,调整参数化变量后返回步骤6;若结果符合步骤9中设定的目标参数,结束;
以上步骤1到9的是针对圆筒所承受的弯矩力在圆筒的圆周方向不确定时,得到的优化高弯曲刚度的圆筒结构布局的过程;通过对筒的结构优化结果进行分析,最终得到带有法兰和周向4个均匀分布的梯形加强筋的筒的优化结构特征。
2.根据权利要求1所述的提高圆筒弯曲刚度的方法,其特征在于,所述步骤1中,圆筒结构的一端为设置有法兰的固定端,并在圆筒结构的管外侧设置有与所述法兰连接的加强筋。
3.根据权利要求1所述的提高圆筒弯曲刚度的方法,其特征在于,步骤2中所述的参数化变量包括:圆筒结构中不同直径的管壁厚;法兰的外径和厚度;加强筋的数量、厚度、长度。
4.根据权利要求1所述的提高圆筒弯曲刚度的方法,其特征在于,所述圆筒结构的主体的一端设置有法兰,所述主体的管壁外侧均匀设置有4个加强筋,所述加强筋与所述法兰连接。
5.根据权利要求4所述的提高圆筒弯曲刚度的方法,其特征在于,所述加强筋为梯形加强筋。
6.根据权利要求4所述的提高圆筒弯曲刚度的方法,其特征在于,所述加强筋的长度小于所述主体的长度。
7.根据权利要求4所述的提高圆筒弯曲刚度的方法,其特征在于,所述主体包括同轴连接的第一中空筒体和第二中空筒体,所述第一中空筒体中空处的直径大于所述第二中空筒体中空处的直径。
8.根据权利要求7所述的提高圆筒弯曲刚度的方法,其特征在于,所述法兰设置在第一中空筒体远离第二中空筒体的一端。
9.根据权利要求7所述的提高圆筒弯曲刚度的方法,其特征在于,所述加强筋的长度大于第一中空筒体的长度。
10.根据权利要求1-9任一权利要求所述的提高圆筒结构弯曲刚度的方法,其特征在于,当圆筒的所受的弯曲力垂直于加强筋的大面时,那么此方向的梯形加强筋一般是不会提高圆筒的弯曲刚度的,只有通过合适的加强筋的结构参数才能提高圆筒的弯曲刚度;通过判定式t>60.5/2N1,b<3.14×60.5(N1 2-N0 2)/(12N1)时,才能实现增加该方向的加强筋与没有加强筋的筒相比会增加筒的刚度,其中的t为加强筋的厚度,b为远离法兰的加强筋末端的边长。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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